Tarih boyunca ışık üzerine hangi bilim adamları, nasıl çalışmalar yapmışlardır? Işığın bilimsel tarihçesi, çalışmaların sonuçları.
Işık İle İlgili Bilimsel Çalışmaların Tarihçesi
Düz ve küresel aynalar ile içbükey ve dışbükey mercekler ilk çağlarda hem Çinliler, hem de Yunanlılar tarafından biliniyordu. Işıkla ilgili bazı deneysel yasalar ve ışığın niteliğine ilişkin varsayımlar temel olarak Akdeniz (Eski Yunan ve Arap) kökenlidir. Pythagoras (İÖ y. 580-500) ışığın, insanın gözünden çıkan ve görülen cisme değdiğinde görme duyusunu doğuran ışınlardan oluştuğunu öne sürmüştü. Pythagoras’ın bu görüşünü paylaşan Eukleides (İÖ y. 300) aynada yansıyan ışığın gelme açısıyla yansıma açısının birbirine eşit olduğunu biliyordu. Işığın kaynaktan çıkıp görülen cisimden yansıyarak göze ulaştığını ve görme duyusunu doğurduğunu ilk kez Samoslu Epikuros (İÖ 341-270) öne sürdü. Pythagoras varsayımı zamanla terk edildi ve ışığın görülen cisimden göze ulaşan ışınlardan oluştuğu görüşü, özellikle Arap matematikçi ve fizikçi İbnü’l-Heysem’in (İS y. 965-1039) etkisiyle, İS 1000’lerde genel olarak kabul edildi. İskenderiyeli astronom Ptolemaios (ü. İS 127-145), kırılma (ışığın bir saydam ortamdan bir başka saydam ortama geçerken doğrultu değiştirmesi) olgusunda gelme ve kırılma açılarını ölçtü ve ışığın bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçerken normale (iki ortamı ayıran düzleme dik doğru) yaklaşacak biçimde doğrultu değiştirdiğini ortaya koydu. Felemenkli astronom ve matematikçi Willebrord van Roijen Snell (1580-1626) ışığın gelme ve kırılma açılarının sinüslerinin oranı ile saydam ortamda kırılma indisi arasındaki ilişkiyi veren ve kendi adıyla anılan yasayı buldu. Fransız matematikçi Pierre de Fermât (1601-65) ışığın bir noktadan ötekine en kısa yoldan gittiği varsayımını ortaya koyarak yansıma ve kırılmaya ilişkin yasaları birleştirdi.
Işığın doğrular boyunca yayıldığı çok eski zamanlardan beri biliniyor ve bu bilgiden resim sanatında yararlanılıyordu. Ama bu konudaki temel kuram Leonardo da Vinci tarafından ortaya konmuştur.
Işıkta kırınım olgusu ilk kez 17. yüzyılda gözlendi ve ışığın bir dalga hareketi olduğu görüşü ortaya atıldı. Felemenkli fizikçi Christiaan Huygens ışığın dalga kuramını geliştirdi. Danimarkalı fizikçi Erasmus Bartholin ile Huygens’in ilk kez gözledikleri kutuplanma olgusu ise ışığın o gün için göz önüne alınan tek dalga türü olan boyuna dalga (yayılma doğrultusundaki titreşimlerden oluşan dalga) kavramıyla bağdaşmıyordu. Bu nedenle Sir Isaac Newton ışığın parçacık yapısında olduğunu savundu. Newton ayrıca beyaz ışığın bir cam prizmadan geçirildiğinde renklere ayrıldığını keşfetti. Newton’dan sonraki bir yüzyıl boyunca ışığın parçacık kuramı fiziğe egemen oldu. Işığın bir enine dalga hareketi (yayılma doğrultusuna dik (doğrultuda titreşimlerden oluşan dalga) olduğu ancak 19. yüzyılda, İngiliz fizikçi Thomas Young, Fransız fizikçiler Augustin-Jean Fresnel, François Arago ve Armand-Hippolyte-Louis Fizeau, İrlandalı bilim adamı Humphrey Lloyd ve Alman fizikçi Gustav Kirchhoff’un çalışmalarıyla ortaya kondu. Tüm evreni kapladığı ve bir tür esnek katı olduğu varsayılan esir, ışığın boşluktan geçebilmesi olgusunu açıklamaya yönelik bir kavramdı. 1864’te İngiliz fizikçi James Clerk Maxwell, ışığın bir elektromagnetik dalga olduğunu öne sürdü. Eletromagnetizmanın yasalarını yalın bir biçimde matematiksel olarak ifade eden Maxwell, bu matematiksel ifadelerden boşlukta sabit bir hızla yol alan enine elektromagnetik dalgaların var olması gerektiği sonucuna vardı; elektrik devreleri üzerinde gerçekleştirdiği deneylerle, c ile gösterilen bu sabit hızın saniyede 300.000 km olduğunu belirledi. Işığın elektromagnetik dalga niteliği esir varsayımının gerekliliğini de ortadan kaldırıyordu. Danimarkalı astronom Ole Romer, Fransız fizikçi Jean-Bernard-Léon Foucault ve başka bilim adamları ışığın hızının da bu değere çok yakın olduğunu belirlediler. ABD’li fizikçi A. A. Michelson ışığın hızını büyük duyarlıkla ölçerek (çok küçük deneysel hata sınırları içinde) c’ye eşit olduğunu gösterdi. Bu çalışmalar ve 1887’de Alman fizikçi Heinrich Rudolf Hertz‘in, ilk kez elde etmeyi başardığı radyo dalgaları (uzun dalgaboylu elektromagnetik dalgalar) üzerindeki ölçümleri Maxwell’in görüşlerini doğruladı. 1845’te İngiliz fizikçi Michael Faraday ışığın kutuplanma düzleminin magnetik alan etkisiyle döndüğünü gösterdi, böylece ışık ile elektromagnetizmanın ilişkisini deneysel olarak ortaya koydu.
Maxwell‘in elektromagnetik dalga kuramı sürekli (sınırsız olarak bölünebilen) bir ortam öngörüyordu. Dalgaların enerjisinin de sınırsız olarak bölünebildiği, böylece sınırsız derecede küçük enerji miktarlarının salınabileceğini ya da soğurulabileceğini öngören bu kuram, denge durumunda evrendeki bütün enerjinin yüksek frekanslı dalgalara dönüşmesi gerektiği sonucunu veriyordu. Maxwell’in de dikkatini çekmiş olan bu sorun daha sonra Lord Rayleigh ve Sir James Jeans tarafından açıkça ortaya kondu. 1900’de Alman fizikçi Max Planck ışınımla salınan ısı enerjisinin ancak sonlu miktarlarda salınabileceği varsayımının bu sorunun çözümü açısından gerekli olduğunu gösterdi. Bu sonlu ve belirli enerji miktarı günümüzde kuvantum olarak adlandırılmaktadır. 1905’te Einstein, fotoelektrik etkiyi inceleyerek ışığın, enerji kuvantumuna eşdeğer kesikli (ayrık) parçacıkların hareketi olarak ele alınabileceğini ileri süren temel kuramı geliştirdi. Bu parçacıklara foton adı verildi. Işığın kimi durumlarda dalga, kimi durumlarda parçacık gibi davrandığı gözlendiğinden bu iki davranış biçiminin hangi koşullarda ve nasıl ortaya çıkacağım belirleyen bir kurama duyulan gereksinim, kuvantum mekaniği olarak bilinen ve bu sorunu tümüyle çözen kuramın geliştirilmesine yol açtı (1925-35).
Alışılmış ışık kaynaklarında ışık ışınları, aralarında belirli bir faz ilintisi bulunmayan atomlar tarafından salınır; bu nedenle de bu atomların saldığı dalgalar rastgele bir düzensizlik içindedir, bir başka deyişle eşfazlı değildir. Einstein’ın ve ingiliz fizikçi Paul A. M. Dirac’ın çalışmalarına dayanılarak geliştirilen uyarılmış salım kuramı, kimi durumlarda atomların eşfazlı dalgalar salacak biçimde uyarılabileceğini ortaya koydu. Bu kuramın uygulamaya konmasıyla eşfazlı, tekrenkli ışık salan ışık kaynağı laser gerçekleştirildi (1960).